Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН разработали и испытали прототип детектора на основе нанокомпозитного материала. Он создан по уникальной технологии, которая открывает новые возможности в детектировании рентгеновского излучения. По расчетам ученых, детектор, созданный с помощью новой технологии, будет иметь высокое пространственное разрешение (20 микрон или лучше) и высокую чувствительность. Первый прототип продемонстрировал способность детектировать рентгеновское излучение. На следующем этапе планируется разделить чувствительный объём детектора на пикселы, что позволит добиться высоких показателей в пространственном разрешении. Результаты работы представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020).
Схема детектора, В. Назьмов
Рентгеновское излучение имеет широкий спектр применения, его используют в медицине, биологии, геологии и археологии, изучении космоса, промышленности и прикладных научных исследованиях. Для каждого класса задач применяются разные методы регистрации, при этом важные параметры работы детектора – чувствительность, то есть способность формировать отклик на поглощённый квант рентгеновского излучения, и пространственное разрешение получаемого изображения. Хотя на данный момент методы детектирования хорошо развиты, ученые работают над совершенствованием существующих технологий, чтобы «увидеть» с помощью рентгена самые мельчайшие объекты.
«При повышении чувствительности детектора и улучшении пространственного разрешения, – поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Назьмов, – спектр задач, которые он способен решать, существенно расширяется. Возрастает интерес в медицине, например, к более детальному изучению развития рака молочной железы, различным видам опухоли головного мозга. Рентгеновская оптика с высоким разрешением позволяет, например, получить изображения динозавра, ещё не вылупившегося из яйца. Детектор позволит упростить дефектоскопию габаритных объектов, например, турбин ГЭС, лопаток самолётов и пр. С помощью такого устройства можно будет просвечивать грузы, а также использовать его в научных целях – в качестве детектора на источниках синхротронного излучения, в первую очередь, я, конечно, имею в виду неспециализированные источники синхротронного излучения нашего института – ВЭПП-3 и ВЭПП-4».
Детекторы на основе полупроводниковых матриц позволяют получить высокое пространственное разрешение, но их чувствительный слой относительно тонкий, поэтому они не очень эффективно поглощают рентген. Для того чтобы улучшить этот параметр, на поверхность наносят специальный слой – люминофор или сцинтиллятор – который поглощает рентген и превращает его в видимый свет. Люминофор должен быть достаточно толстым, чтобы поглощать рентген, но это портит пространственное разрешение. Найти консенсус между ними можно, разделив люминофор на отдельные «пиксели».
В этой связи в качестве сцинтиллятора привлекательно использовать полиметилметакрилат (ПММА), или оргстекло. Этот полимер хорошо подходит для обработки при помощи LIGA-технологии, которая позволяет с субмикронной точностью воспроизводить микроструктуры при участии луча синхротронного излучения. Однако оргстекло не очень хорошо поглощает рентген, а вдобавок спектр его высвечивания не соответствует спектральному поглощению обычных кремниевых матриц.
Для решения этой проблемы ученые всего мира модифицируют его свойства с помощью добавления различных примесей. Мы избрали путь – добавление вольфрама. Атомы вольфрама прекрасно поглощают рентгеновские кванты, поэтому для целей детектирования нами исследуются нанокомпозиты на базе наночастиц, содержащих вольфрам. Оказалось, что фрагментация материала на наночастицы также позволяет изменить спектр свечения ПММА, сдвинуть его в красную область, которая хорошо регистрируется кремниевыми матрицами. Причём этот сдвиг зависит от размера наночастиц.
Чем меньше размер частиц наполнителя, тем в большей степени могут быть изменены свойства исходной полимерной матрицы. На данный момент в химии используются различные способы диспергирования наполнителя, например, измельчение в шаровых мельницах, воздействие электрическим разрядом, наконец, взрыв. В результате получается масса наночастиц, величина которых лежит в широком диапазоне размеров, и требуется продолжительное время дальнейшей дообработки или сепарации по размерам. Это трудоемкий и не всегда удобный процесс.
«Мы предложили новый способ получения нанокомпозита, который, по нашему мнению, быстрее обеспечит нужный результат, – комментирует Владимир Назьмов. – Способ заключается в испарении гексакарбонила вольфрама в замкнутом объёме, где находится ПММА. Варьируя температуру гексакарбонила вольфрама, можно менять размеры кластеров, покидающих его поверхность, одновременно быстро перемешивая преполимерную массу, чтобы усреднить распределение адсорбированных из паровой фазы молекул в объёме форполимера. Одновременно протекает реакция полимеризации органического прекурсора, по завершении которой образуется полимерный нанокомпозит. В предложенном методе важно, что можно контролировать размер испаряемых кластеров, управляя температурой вольфрамсодержащего прекурсора, вплоть до одной молекулы. Детектор, выполненный на базе однокомпонентного нанокомпозита, продемонстрировал чувствительность к рентгеновскому излучению, причём с конверсией спектра исходного ПММА, и это является целью первого этапа работы по разработке детектора». Следует отметить, что для формирования полимера используется ПММА, предварительно сшитый посредством пучка быстрых электронов из ускорителя ИЛУ, также являющегося результатом разработки ИЯФ СО РАН. Этот метод обеспечивает химическую чистоту реагентов и гомогенность протекания реакции в объёме реактора.
На последующем этапе планируется разделить чувствительный объём детектора на пикселы, опять же, с использованием технологии глубокой рентгенолитографии, что позволит формировать сигнал с детектора в зависимости от положения объекта в пространстве, т.е. изображение последнего.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИЯФ СО РАН
